سیستم موقعیت یاب جهانی(GPS)

سيستم موقعيت يابي جهاني

GPSچیست؟

در گذشته برای مسیر یابی نقشه برداری ویافتن راهها ؛ از نقشه ها، علامت های طبیعی ستارگان، خورشید وبا پیشرفت علم از ابزار های نجومی و قطب نما استفاده می شده است . استفاده از این ابزار ها و روش ها،معمولاً مشکل است ،احتیاج به تخصص دارد و احتمال اشتباه در آن ها زیاد است .
امروزه وضع تغییر کرده است و شما با خرید یک دستگاه گیرنده GPS
در هر لحظه که بخواهید می توانید تشخیص دهید که طول جغرافیایی و ارتفاع نقطه ای که در آن ایستاده اید چیست ؟
اگر چه کاری که این وسیله انجام می دهد ممکن است عجیب به نظر برسد ولی طرز کار آن بسیار ساده است و بر اساس اصول ساده ریاضی کار می کند . در قسمت بعد در باره طرز کارسیستم GPS مطالب بیشتری فرا خواهید گرفت.

GPS چگونه کار می کند؟

معمولاً وقتی در باره GPSصحبت می شود منظور دستگاه گیرنده GPS است اما این دستگاه به تنهایی کاری انجام نمی دهد این دستگاه به کمک 24ماهواره که به دور زمین در حال گردش هستند ،کار می کند .

ماهواره هاهر کدام حدود 1400تا 1800kg وزن دارد و درارتفاع 19300کیلومتری از سطح زمین قرار گرفته اند
این ماهواره ها در هر روز دو باربه به دور زمین می گردند.طرز چیدن ماهواره ها در آسمان به گونه ایست که در هر لحظه و در هر نقطه از زمین حداقل چهار ماهواره قابل رویت باشند.وظیفه گیرنده GPSاین است که چهار تا (یا بیشتر)از این ماهواره ها را پیدا کند.

سپس فاصله گیرنده تا این چهار ماهواره را حساب کند و از روی آن تعیین کند که در کدام نقطه از زمین قرار داریم یعنی طول وعرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا را حساب کند . اگر یک نقشه در اختیار شما باشد یا یک نقشه در حافظه گیرندهGPSوجود داشته باشد شما می توانید با دانستن طول وعرض جغرافیایی بگویید که در کدام نقطه از کره زمین قرار دارید .اما گیرنده GPSچگونه با محاسبه فاصله از ماهواره ها طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا را بدست می آورد . گیرنده GPSبا استفاده از یک اصل ساده ریاضی به نام TRILATERATIONموقعیت خود را بدست می آورد . توضیح این اصل ریاضی در فضای سه بعدی کمی مشکل است بنابراین در ابتدا این اصل را در فضای دو بعدی توضیح می دهیم یعنی فرض می کنیم می خواهیم موقعیت خود را بر روی یک صفحه کاغذ به دست آوریم.اگر این اصل را برای فضای دو بعدی توضیح دهیم توضیح آن برای فضای سه بعدی به آسانی انجام می شود.

اصلTRILATERATION در فضای دو بعدی

فرض کنید با هواپیمای شخصی خود در حال پرواز هستید که ناگهان به دلیل نقص فنی مجبور به فرود اظطراری بر روی زمین شود.یا مهارت هواپیما را کنترل کرده و فرود می آیید ولی در مورد موقعیت جغرافیایی که قرار دارید هیچ اطلاعی ندارید به زبان دیگر گم شده اید وفقط یک نقشه از کره زمین در اختیار دارید در یک لحظه به فردی بر خورد می کنید و از او درباره موقعیت این مکان سوال می کنید.

این فرد به شما می گوید شما در 1500کیلومتری شهر سرخس قرار دارید. شما با دانستن این موضوع متوجه می شوید که اگر به مرکز شهر سرخس دایره ای به شعاع 1500کیلومتر رسم کنید شما در جایی بر محیط این دایره ایستاده اید البته با دانستن این موضوع به تنهای نمی توانید موقعیت خود را بدقت تعیین کنید ولی برای شروع نقطه خوبی است .

در این لحظه شخص دیگری از راه می رسد و شما از او می پر سید که در کدام نقطه از کره زمین قرار دارید و او در پاسخ می گوید که شما در 824کیلو متری بندر عباس قرار دارید.بنابراین به مرکز شهر بندر عباس و به شعاع 824کیلومتربر روی نقشه رسم کنید شما بر روی محیط این دایره قرار دارید .از طرف دیگر بر اساس اطلاعاتی که نفر اول ارائه کرده است شما بر روی دایره قرار دارید چون هر دو دایره حد اکثر در دو نقطه یکدیگر را قطع می کنند بنابر این شما بر روی یکی از نقاط AیاBقرار دارید
و بالا خره نفر سومی هم از راه می رسد و به شما می گوید که در فاصله 690کیلومتری خرم آبادقرار دارید . شما نیز به سرعت بر روی نقشه دایره به مرکز شهر خرم آباد و به شعاع 690کیلو متر رسم می کنید و با استدلالی مشابه قسمت های قبلی ؛نتیجه می گیرید که شما در آنِ واحد بر روی محیط سه دایره قرار دارید و بنابراین با کمک اصول هندسه شما باید در محل تقاطع سه دایره که یک نقطه خواهد بود قرار داشته باشید و بنابراین موقعیت خود را به دقت تعیین کرده و به دقت متوجه می شوید که شما در نزدیکی یزد قرار دارید این اصل ساده ریاضی در فضای سه بعدی نیز به همین صورت است.

تفاوت این اصل در فضای دو بعدی با فضای سه بعدی در این است که در فضای سه بعدی شما به جای رسم دایره یک کره رسم می کنید و چهار کره یکدیگر را حد اکثر در یک نقطه قطع می کنند

اصل TRILATERATIONدر فضای سه بعدی

در فضای سه بعدی برای پیدا کردن موقعیت خود به جای رسم دایره کره رسم می کنید فرض کنید در 20 کیلومتری ماهواره A قرار دارید . بنابر این یک کره به مرکز ماهواره Aوبه شعاع 20کیلومتری رسم می کنید و می دانید که شما جایی برروی سطح این کره قرار دارید همچنین اگر بدانید که در فاصله 30 کیلومتری ماهواره B قرار دارید یک کره به مرکز ماهواره B قرار دارید یک کره به مرکز ماهواره B و به شعاع 30 کیلومتررسم کرده و می دانید که بر روی سطح این کره نیز قرار دارید مکان هندسی محل تقاطع دو کره یک دایره است وچون شما در یک لحظه باید بر روی سطح هر دو کره قرار داشته باشید بنابراین باید بر روی محل تقاطع دو کره یعنی دایره محل تقاطع قرار بگیرید.

اگر موقعیت خود را تا ماهواره سوم نیز بدانید کره سومی رسم می کنیدکه محل اشتراک این سه کره دو نقطه خواهد بود . یکی از این دو نقطه برروی زمین ودیگری در فضا خواهد بود.
مطمئناً شما نقطه ای را انتخاب خواهید کرد که بر روی زمین قرار دارد . زمین می تواند به عنوان ماهواره چهارم عمل کند و اطلاعات لازم را برای تعیین موقعیت ارائه دهد .
یک گیرنده ی GPSبا همین روش موقعیت جغرافی خود را به دست می آورد البته گیرنده GPSاز اطلاعات ماهواره ی چهارم نیز استفاده می کند . اطلاعات ماهوره چهارم برای افزایش دقت محاسبات استفاده می شود .
گیرنده ی GPSبرای یافتن موقعیت شما به دو دسته اطلاعات احتیاج دارد
1) موقعیت حد اقل سه ماهواره را بداند .
2) فاصله شما تا هر یک از این ماهواره ها را نیز در اختیار داشته باشد.

یگ گیرنده GPSبا دریافت سیگنالهای ارسالی از ماهواره ها این اطلاعات را بدست می آورد .برخی گیرنده های ÷یشرفته GPSاطلاعات چندین ماهواره را همزمان دریافت می کنند و به همین ترتیب بر دقت محاسبات خود می افزایند . هر ماهواره سیگنالی را به سوی زمین ارسال می کند و گیرنده GPSبادریافت این سیگنال مدت زمان حرکت سیگنال از ماهواره تا گیرنده را به دست می آورد.سپس با استفاده از فرمول فیزیکی D=V.Tبا در دست داشتن زمان((Tوسرعت حرکت سیگنال ((Vکه برابر با سرعت حرکت نور است (300هزار کیلومتر در ثانیه)فاصله بین ماهواره تا گیرنده را حساب می کند(D=V.T)
اندازه گیری فاصله بین ماهواره و گیرنده
محاسبه زمان حرکت سیگنال از ماهواره تا گیرنده GPSبا کمک یک تکنیک جالب انجام می شود فرض کنید ماهواره وگیرنده GPSدر یک زمان مشخص (مثل دقیقاً در نیمه شب)شروع به شمارش اعداد از یک تا 100000بکنند و در همان حال ماهواره این اعداد را دریافت می کند . این تاخیر مساوی با زمان طی مسیر سیگنال از ماهواره به گیرنده است . گیرنده با محاسبه این تاخیر فاصله خود را با ماهواره بدست می آورد d = v . t))
البته در محاسبه این تاخیر باید فرض کنیم که سیگنال ارسال شده توسط ماهواره به خط راست حرکت کرده و به گیرنده GPSرسیده است در غیر این صورت فاصله بین ماهواره گیرنده به درستی محاسبه نخواهد شد .
همانطور که گفتیم برای محاسبه فاصله ی بین بین ماهواره و گیرنده باید هر دو در یک زمان مشخص شروع به شمارش اعداد کنند بنابر این لازم است ماهواره و گیرنده GPSدارای ساعتی باشند که دقت فوق العاده زیادی در حد یک در میلیاردم ثانیه داشته باشد . این دقت تنها با استفاده ازساعت های اتمی امکان پذیر است اما قیمت ساعتهای اتمی بسیار گران است (بین 50000دلار تا 100000دلار)و این مشکل باعث می شود مهندسین نتوانند در گیرنده های GPSکه مورد استفاده مردم عادی قرار می گیرد از ساعت های اتمی استفاده کنند .
برای حل این مشکل از راه حل جالبی کمک گرفته اند. در هر یک از ماهواره ها یک ساعت اتنمی قرار داده شده است ولی در گیرنده از یک ساعت معمولی کوارتز معمولی استفاده می شود
ساعت های کوارتز دقت خیلی خوبی ندارد وبا ید یعد از گذشت مدت زمانی مجدا تنظیم شوند . گیرنده GPSاز اطلاعات ماهواره چهارم برای تصحیح ساعت کوارتز استفاده می کند وقتی گیرنده GPSفاصله اش را تا سه ماهواره اندازه می گیرد مکن است ساعت گیرنده به درستی تنظیم نشده باشد . گیرنده مختصات جغرافیای نقطه مورد نظر را محاسبه می کند ولی یک خطای نسبی در تمام محاسبات وجود اما اگر گیرنده اطلاعات فاصله تا ماهواره چهارم یا ماهواره بعدی را هم در محاسبات مختصات جغرافیا یی به کار برد مختصات جدید به دست آمده با مختصات قبلی تفاوت خواهد داشت و این تفاوت فقط وقتی حذف می شود که ساعت گیرنده با ساعت اتمی تنظیم شده باشد . گیرنده GPSاز این موضوع استفاده می کند و ساعت کوارتز خود را طوری تنظیم می کند که مختصات بدست آمده از تمام ماهواره ها با یکدیگر یکسان باشند . تا مادامی که گیرنده GPS روشن است تنظیم ساعت به طور اوتوماتیک انجام می شود .

برای محاسبه مختصات جغرافیایی گیرنده محل دقیق ماهواره ها در فضا نیز مورد نیاز است که بدست اوردن این اطلاعات کار بسیار دشواری به نظر می رسد .اطلاعات حرکت ماهواره ها به صورت یک تقویم سالانه در حافظه گیرنده GPS ذخیره شده است و گیرنده از این اطلاعات محل دقیق ماهواره را بدست می آورد اگر جاذبه ماه یا خورشید کمی مدار ماهواره را تغییر دهد و در نتیجه موقعیت ماهواره تغییر کند کامپیوتر های وزارت دفاع آمریکا این تغییرات را محاسبه کرده و این اصلاحات را برای ماهواره ها ارسال می کند . ماهواره ها هم این تغییرات را به تمام گیرنده های GPS در سراسر دنیا مخابره می کنند .

با در اختیار داشتن موقعیت ماهواره ها و فاصله گیرنده تا هر یک از ماهواره ها موقعیت جغرافیایی و ارتفاع گیرنده از سطح دریا قابل محاسبه است . یک گیرنده GPS پس از بدست آوردن طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا این اطلاعات را بر روی یک نقشه جغرافیایی که در حافظه خود دارند رسم می کنند .

نقشه های جغرافیایی بخش زیادی از حافظه گیرنده GPS را اشغال می کنند و بنابراین نمی توان در یک گیرنده GPSنقشه هایی که با جزئیات زیاد قرار داد . شما می توانید گیرنده GPS را به کامپیوتر متصل کنید واز یک نقشه مفصل تر که در حافظه کامپیوتر است و جزئیات بیشتری از موقعیت فعلی شما را در اختیار دارد استفاده کنید و موقعیت خود را دقیق تر بر روی نقشه ببینید .

بعضی از گیرنده های GPS می توانند با استفاده از کارتریج هایی (مانند کارتریج های بازی های کامپیوتری )نقشه های جدید را هم بخوانند ویا نمایش دهند . یک گیرنده GPS می تواند علاوه بر نمایش موقعیت فعلی شما بر روی نقشه مسیر حرکت شما را نیز بر روی نقشه رسم کند . اگر گیرنده GPS خود را روشن نگه دت=ارید این دستگاه می تواند اطلاعات دیگری نیز در اختیار شما قرار دهد از جمله : از ابتدا ی حرکت تا کنون چند کیلو متر طی کرده اید چه مدت است حرکت کرده اید سرعت فعلی شما چقدر است سرعت متوسط شما چقدر است اگر با همین سرعت ادامه دهید چه موقع به مقصد می رسید . البته برای دسترسی زمان رسیدن به مقصد باید گیرنده ایی را که خریداری کرده اید دارای توانای دریافت اطلاعات از کاربر باشد .هر چقدر قابلیت های گیرنده GPS بیشتر باشد قیمت آن نیز بیشتر است در حافظه بعضی از گیرنده های GPS اطلاعات مربوط به محل شهر ها ومحل های مهم قرار دارد و شما با دادن اطلاعات مربوط مقصد می توانید از گیرنده برای رسیدن به مقصد کمک بگیرید .

تاریخچه سیستم GPS

وزارت دفاع آمریکا این سیستم را برای ناوبری ارتش آمریکا ابداع کرد . اولین ما هواره در سال 1989 به فضا پرتاب شد . چون ماهواره ها دارای طول عمر مفید هستند لازم است هر چند سال یک بار آنها را با ماهواره جدید تعویض کرد . در ماه مارس سال 2004 (سال جاری مسیحی )پنجاهمین ماهواره این سیستم با کمک یک موشک دلتا-2(DELTA II) به فضا پرتاب شده است . پس از گذشت چند سال از آغاز فعالیت این سیستم این امکان فراهم شد تا علاوه بر ارتش آمریکا همه مردم از این دستگاه برای تعیین موقعیت خود در روی زمین استفاده نمایند . هزینه نگهداری این سیستم سالا نه به 400 میلیون دلار می رسد .

کاربردهای سیستم GPS

اولین کاربرد سیستم GPS که هدف از طراحی این سیستم نیز می باشد هدایت سربازان در مناطق جنگی و کنترل موشک های کروز است . در جنگ بوسنی و هرزگوین وقتی هواپیمای یکی از خلبان های آمریکایی مورد هدف قرار گرفت این خلبان با چتر نجات در مواضع صرب ها فرود آمد .وی توانست برای 4 روز خود را مخفی و در روز چهارم با دیدن یکی از هواپیماهای آمریکایی که در منطقه در حال پرواز بود اطلاعات موقعیت خود راتوسط گیرنده GPS به هواپیما اطلاع داده واز آنها در خواست کمک کرد . پس از چند ساعت نیرو های نظامی آمریکایی برای نجات جان آن خلبان اقدام کردند و او را نجات دادند.

همچنین در عملیات طوفان صحرا (جنگ خلیج فارس)از این سیستم برای هدایت نیروها در صحرا وهدایت آتش توپخانه ها استفاده می شد .در این جنگ شرکت های آمریکای که گیرنده های GPS را می ساختند تعداد زیادی از این دستگاه ها را برای سربازان آمریکایی وبه سفارش وزارت دفاع آمریکا تولید کردند و سود زیادی از این طریق کسب نمودند . برای مقابله با موشکهای هدایت شونده آمریکا دولت روسیه دستگا ها ی کوچکی ساخته است که می تواند این موشکها را به سوی خود جلب کند و اطلاعات موجود در گیرنده GPS موجود در موشک را خراب کند .بعضی از مسئولین آمریکای می گویند که در حمله آمریکا به افغانستان از این تجهیزات برای گمراه شدن موشک ها استفاده شده است .به این دستگاه ها GPS jammer می گویند .

همچنین وزارت دفاع آمریکا ماهواره های این سیستم را به دستگاه ها ی حساس به بمب های اتمی مجهز کرده است تا دولت آمریکا بتواند از فعالیت های هسته ای در هر در هر نقطه از دنیا مطلع شود . گیرنده های GPS که در اختیار عامه مردم است محدودیت هایی دارد از جمله این که این گیرنده ها در سرعت های زیاد درست کار نمی کنند و نیز در ارتفاعات بالا اطلاعات این گیرنده ها نادرست است.
این تمهیدات برای این است که کشور های دیگر به غیر از آمریکا از گیرنده های GPS برای هدایت موشک های کروز و بالیستیک استفاده نکنند.

از جمله کاربردهای مهم GPS در سیستم های ناوبری هوایی دریایی و زمینی است .البته گیرنده هایی که برای ناوربی هوایی مورد استفاده قرار می گیرد دارای دقت بیشتری نسبت به گیرنده های GPS هستند . مسیریابی جلو گیری از تصادم وسایل با استفاده نرم افزارها گیرنده های GPS مسیر شما را بر روی نقشه هایی با دقت زیاد ودر هر مقیاس دلخواه رسم می کنند . به این نرم افزار ها chart plotting software می گویند . باید در نظر داشت که اگر این نقشه ها را برای ناو بری دریایی استفاده می کنید باید اطلاعات دیگری از جمله جریان های شدید دریایی را هم در نقشه خود داشته باشیم . بنابراین نرم افزار ناوبری دریایی فرق می کند . نقلیه ناوبری در هوا مه آلود و هدایت اتو ماتیک وسایل نقلیه می تواند توسط سیستمGPS انجام شود .

سیستم GPS کاربردهای متنوع دیگری نیز دارد . از GPS می توان برای تنظیم ساعت های موجود با ساعت اتمی متهواره استفاده کرد . از دیگر کاربردهای این سیستم می توان به ارسال کمک های مادی از طریق هواپیما به مناطق دور دست ویا مناطق آسیب دیده از حوادث طبیعی اشاره کرد . ارسال این کمک ها حتی در شب نیز امکان پذیر است . نقشه برداری با کمک از گیرنده GPS بسیار اسان تر از گذشته با هزینه کمتر و سرعت بیشتر انجام می شود .

در مطالعات مربوط به پوسته زمین و زمین شناسی نیز می توان از سیستم GPS استفاده کرد .مطالعات با لا آمدگی سطح آب دریا ها و اقیانوسها ومناطق قطبی و آتشفشانها نیز کاربرد دیگر GPS است. با استفاده از GPS می توان در هر جای دنیا به ساعت دقیق دسترسی داشت . در سیستم های GIS که اطلاعات جغرافیایی را جمع آوری و پردازش می کنند از GPS استفاده زیادی می شود . سیستم GPS در ثبت اراضی کشاورزی جنگل داری راه سازی حفاری معدن در تعیین سفره های زیر زمینی نفت و گاز نقشه برداری هوایی و دریایی مسیریابی کوهنوردان و حتی در عملیات برای رد گیری متهمان کاربرد دارد . در ایران برای نقشه برداری طراحی سدها و رد گیری اتوبوسهایبین شهری از گیرنده GPS استفاده می شود .

خطاهای سیستم GPS

عوامل متعدی ممکن است دقت محاسبات گیرنده GPS را دچار اشکال کنند . اولین مورد این است که در محاسبات مربوط به فاصله از ماهواره ها فرض بر این است که سرعت حرکت سیگنالها (که نوعی از اواج الکترومقناتیسی هستند )ثابت بوده و برابر با سرعت حرکت نور (300000کیلو متر در ثانیه)است اما سرعت این سیگنالها در قسمت مختلف جو زمین با هم فرق می کند . وقتی سیگنالها ااز لایه یونسفربه لایه تروپسفرمی رسند سرعت حرکت آنها کاهش می یابد.

این موضوع باعث می شود تا سیگنالها کمی دیر تر از آنچه که شما انتظار دارید به گیرنده برسند همچنین مقدار تاخیر به موقعیت شما در روی زمین بستگی دارد و این تاخیر مقداری نیست که بتوان به سادگی آن را حساب کرد اشکال دیگر سیستم GPS این است که گاهی اوقات سیگنالهی ارسالی از ماهواره به آسمان خراش ها برخورد می کنند و سپس به گیرنده GPS می رسد بنابراین فاصله گیرنده تا ماهواره کمی بیشتر از مقدار واقعی حساب می شود . ماهواره ها نیز گاهی اطلاعات نا درستی در مورد خود در فضا ارسال می کنند که این نیز یکی از عوامل ایجاد خطا در گیرنده GPS است .

یکی دیگر از عوامل محاسبه خطا در تعیین موقعییت گیرنده GPS خطای عمدی است که در اصطلاح به آن SELECTIVE AVAILABILITY می گویند .اگر این قابلیت در ماهواره ها فعال باشد دقت محاسبه موقعیت بین 50 تا 100 متر است و اگر این قابلیت در ماهواره ها فعال نباشد دقت محاسبات بین 20تا 30 متر است .
وزارت دفاع آمریکا بنابر ملاحظات امنیتی این امکان را در سیستم GPSقرار دادند در حال حاضر این قابلیت غیر فعال است .

GPS برا ی حل مشکلات

برای حل این مشکلات نوعی گیرنده GPS به نام differential GPSطراحی شده است این گیرنده به کمک ایستگاه های زمینی که مخصوص سیستم های GPS طراحی شده اند اطلاعات نادرست خود را تصحیح می کند . ایستگاه ها زمین دارای موقعیت جغرافیای مشخصی هستند و با کمک اطلاعات مربوط به موقعیت خود اطلاعات دریافتی از ماهواره ها را اصلاح می کنند سپس این اصلاحات را برای تمام گیرنده های مجاور خود ارسال کنند.

نتیجه گیری

سیستم GPSبا استفاده از یک ایده ساده ریاضی ابداع شده است این سیستم کاربردهای نظامی و غیر نظامی متعددی دارد و هر روز بر تعداد این کاربردها افزوده است برای یک گیرندهGPS رخ دهد تا اطلاعات مربوط به موقعیت خود را درست محاسبه کند بیابید و سعی کنید برای هر یک از این مشکلات راه حلی پیش نهاد کنید .

سیستم موقعیت یاب جهانی(GPS)

مطالب مشابه :

فروش نقشه توپوگرافی ایران برای دستگاه های جی پی اس

نحوه استفاده از نقشه های ماهواره ای و توپوگرافی در دستگاه GPS

انواع گیرنده‌های GPS

آموزش طریقه اتصال دستگاه GPS به آی پد یا آی فون

ْGPS تك فركانسه

راهنمایی جهت خرید GPS

راهنما و شرح سیستم GPS

سیستم موقعیت یاب جهانی(GPS)

Gps چیست و چگونه کار می کند؟

GPS دستی مدل Etrex 30